第4章 材料的介电性能
材料的介电性
电子位移极化 一切陶瓷介质中 离子位移极化 离子结构介质 离子松弛极化 离子结构的玻璃、 结构不紧密的晶体 及陶瓷 电子松弛极化 钛质瓷、高价金属 氧化物基陶瓷 转向极化 有机材料
直流-超高频 随温度变化有 极大值 直流-超高频 随温度变化有 极大值 直流-超高频 随温度变化有 极大值 直流-超高 随温度升高而 减弱
K=?
根据正、负离子对的固有谐振 频率用实验方法求解k值。
正负离子位移形成的偶极距
qE qx q i E k
离子极化率
q i k
2
d E k 2 dx
根据离子晶体的势能E(x)，可 以得到k值。
2
离子位移极化模型（一维）
离子极化结论：
离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级； 离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质
电介质基本常数之间的关系
提高电介质的介电常数有利于提高电容器的存
储电荷量，然而介电损耗也将随之增加，因而 寻找一种兼具有高介电常数和低介电损耗的电 介质是当前科学研究者的任务。
材料的介电常数越大，其介电强度不一定高；
电介质的电导越大，介电损耗也越高。
一些材料的介电性能
材料 真空 水 纸 红宝石云母 相对介电常数 1 78 3.5 5.4 介电强度/(kV· cm-1) ∞ — 1.4 16
介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或 记录电的作用。
电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。
介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。
介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。
好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电 强度，较低的电导和介电损耗。
第四节 材料的介电性
材料的性能与表征课程教学大纲
材料的性能与表征课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料的性能与表征所属专业：材料化学课程性质：专业基础课学分：2（二）课程简介、目标与任务：材料的物理性能是材料的重要性能之一。
外接因素（温度、电场、磁场等）作用于材料，引起材料内部原子、分子、电子的微观运动状态的改变，在宏观上表现为一定的感应物理量，即呈现某一物理性能。
具体地讲，最常见的材料物理性能有材料的电性能、介电性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及弹性性能，每一种物理性能对应一定的物理基础。
而材料的物理性能强烈依赖于物质不同层次的结构组成，同时也受环境因素的强烈影响。
每一种材料物理性能都具有一定的分子和测试方法，而物理性能分析也是材料研究的重要手段。
通过本课程的学习，对材料的电性能、介电性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及弹性性能的物理本质和表征参量、影响因素、分析测试方法有较全面地认识，并了解物理性能分析在材料研究中的应用。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：先修课程：力学，热学，电磁学，普通物理(光学与原子物理)，材料科学基础（四）教材与主要参考书。
教材：刘勇，陈国钦编著. 材料物理性能. 北京：北京航空航天大学出版社, 2015.09主要参考书：吴雪梅主编；诸葛兰剑等编著. 材料物理性能与检测. 北京：科学出版社, 2012.01.关振铎，龚江宏，唐子龙著. 无机材料物理性能第2版. 北京：清华大学出版社, 2011.06.高智勇，隋解和，孟祥龙编著. 材料物理性能及其分析测试方法. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2015.11.二、课程内容与安排第1章绪论（一）教学方法与学时分配课堂授课，1学时（二）内容及基本要求主要内容：简要介绍本课程的主要内容，学习本课程的意义和目的，以本课程的学习方法。
【了解】：本课程的主要内容，本课程的学习方法。
【一般了解】：学习本课程的意义和目的第2章材料的电性能2.1 电导率和载流子2.2 电子类载流子导电2.3 离子类载流子导电2.4 半导体2.5 超导体2.6 导电性的测量2.7 电阻分析的应用2.8 延伸阅读（一）教学方法与学时分配课堂授课，5学时（二）内容及基本要求主要内容：主要讲述电子类载流子导电、离子类载流子导电、半导体、超导体的导电机制及影响因素，导电性的测量方法及电阻分析的应用。
材料介电性能
材料介电性能
材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，是材料的一项重要物理性质。
介电性能的好坏直接影响着材料在电子器件、电力设备等领域的应用。
因此，研究和了解材料的介电性能对于材料科学和工程技术具有重要意义。
首先，介电常数是衡量材料介电性能的重要参数之一。
介电常数是指材料在外电场作用下的极化能力，它反映了材料对电场的响应程度。
介电常数越大，表示材料对外电场的响应能力越强，极化程度越高。
介电常数的大小直接影响着材料的绝缘性能和电容性能。
因此，提高材料的介电常数是提高材料介电性能的重要途径之一。
其次，介电损耗是另一个重要的介电性能指标。
介电损耗是指材料在电场作用下吸收和释放能量的能力。
介电损耗越小，表示材料对外电场的能量损耗越小，电能的传输和存储效率越高。
因此，降低材料的介电损耗是提高材料介电性能的关键之一。
此外，介电强度也是衡量材料介电性能的重要参数之一。
介电强度是指材料在外电场作用下的耐受能力，它反映了材料在电场作用下的抗击穿能力。
介电强度越大，表示材料在外电场作用下的耐受能力越强，抗击穿能力越高。
因此，提高材料的介电强度是提高材料介电性能的重要途径之一。
总之，材料的介电性能是材料科学和工程技术领域中的一个重要研究方向。
通过研究和了解材料的介电性能，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论指导和技术支持。
希望通过不断的研究和探索，能够进一步提高材料的介电性能，推动材料科学和工程技术的发展。
材料介电常数
材料介电常数材料的介电常数是描述材料在电场作用下的响应能力的物理量，是一个重要的材料电学性质参数。
介电常数的大小直接影响着材料的电介质性能，对材料的电磁特性具有重要的影响。
本文将从介电常数的定义、影响因素以及应用等方面进行介绍。
首先，介电常数的定义，介电常数是指材料在外加电场作用下，其极化强度与外加电场强度之比的物理量。
介电常数通常用ε表示，是一个描述材料在电场中响应能力的重要参数。
介电常数的大小决定了材料在电场中的极化程度，不同材料的介电常数大小不同，反映了材料对电场的响应能力的差异。
其次，介电常数的影响因素，介电常数受材料本身结构和化学成分的影响。
晶体结构的对称性、原子间的键合强度、晶格的空隙率等因素都会影响材料的介电常数。
此外，温度、压力等外界条件也会对材料的介电常数产生影响。
在电磁场频率较低时，介电常数主要受材料的电子极化和离子极化的影响；而在高频电磁场下，介电常数还会受到材料的导电性能等因素的影响。
最后，介电常数的应用，介电常数是材料的重要电学性能参数，对材料的电介质性能有着重要的影响。
在电子器件、电力设备、通讯设备等领域，介电常数的大小直接影响着材料的电绝缘性能、电容性能等。
在微波器件、天线、介质波导等领域，介电常数的大小也会对电磁波的传输和传播性能产生重要影响。
因此，对于不同的应用场景，需要选择具有合适介电常数的材料，以满足特定的电学性能要求。
总结，介电常数是描述材料在电场中响应能力的物理量，受材料结构、化学成分、外界条件等因素的影响。
介电常数的大小直接影响着材料的电介质性能，在电子器件、电力设备、通讯设备等领域有着广泛的应用。
因此，对于不同的应用场景，需要选择具有合适介电常数的材料，以满足特定的电学性能要求。
希望本文能够对介电常数的相关知识有所帮助，谢谢阅读。
材料物理性能(第四章材料的光学性能)x精要
第十页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
设一块折射率为
的玻璃，光反射损
失为
,透过部分为
。如果透射
光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此
时透过部分为
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
第十一页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损 失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可 观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的 胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空 气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射 率，从而大大减少界面的反射损失。
细的颗粒。但在高温下，在还原气氛下，会出 现显色。因此只能用在搪瓷（973～1073） 3. CeO也是良好的乳浊剂，但是稀有而昂贵 4. SnO2也是良好的乳浊剂，烧成如遇到还原气氛， 则还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失。 5. 锆化合物，乳浊效果稳定，不受气氛影响。同 样也是成本较高。
6. 直接利用天然锆英石（ZrSiO4），成本较低
象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时
，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称
为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非
均质介质。
第四页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、 传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现 象称为双折射。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所 有光学性能都和双折射有关。
色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为
式中 nD 、nF 和nC 分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和C 谱线（5893Å、4861Å和6563Å）为光源，测得的拆射率 。
材料的介电性能
材料的介电性能材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，也是材料在电子学、光学和电子器件中的重要性能之一。
介电性能的好坏直接影响着材料的电学性能和应用效果。
因此，对材料的介电性能进行深入研究和分析，对材料的性能优化和应用具有重要意义。
首先，介电常数是描述材料介电性能的重要参数之一。
介电常数是材料在外电场作用下的响应能力的量度，它反映了材料对外电场的极化程度。
介电常数越大，表示材料在外电场下的极化程度越强，介电性能越好。
常见的介电常数高的材料包括氧化铝、二氧化钛等。
而低介电常数的材料如聚乙烯、聚四氟乙烯等。
介电常数的大小直接影响着材料的电容、介电损耗和介电强度等性能。
其次，介电损耗是描述材料介电性能的另一个重要参数。
介电损耗是指材料在外电场作用下产生的能量损耗。
介电损耗主要包括导致材料内部分子、离子、电子等极化运动所产生的摩擦损耗和材料内部电导率引起的能量损耗。
介电损耗的大小直接影响着材料在高频电场下的性能表现，也是影响材料在微波、雷达等领域应用的重要因素。
此外，介电强度也是评价材料介电性能的重要指标之一。
介电强度是指材料在外电场作用下能够承受的最大电场强度。
介电强度越大，表示材料在外电场下的绝缘性能越好，能够承受更大的电场强度而不发生击穿。
介电强度的大小直接关系着材料在电气设备、电力系统等领域的安全可靠性。
综上所述，材料的介电性能是材料科学和电子工程领域的重要研究内容之一。
介电常数、介电损耗和介电强度是评价材料介电性能的重要指标，直接影响着材料的电学性能和应用效果。
因此，对材料的介电性能进行深入研究和分析，对材料的性能优化和应用具有重要意义。
希望本文能够对材料的介电性能有所了解，并为相关研究和应用提供一定的参考价值。
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：).1()()(0)0()1)(()1()(100//0----==∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：./)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。
1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：第二章 脆性断裂和强度2-1 求融熔石英的结合强度，设估计的表面能力为1.75J/m 2; Si-O 的平衡原子间距为1.6*10-8cm;弹性模量从60到75Gpaa E th γσ==GPa 64.28~62.2510*6.175.1*10*)75~60(109=- 2-2 融熔石英玻璃的性能参数为：E=73 Gpa ；γ=1.56 J/m 2；理论强度σth=28 Gpa 。
第四章 材料电学性能(材料科学基础)
Structures and Conductivity 能带理论
固体理论指出:
（1）在无外场作用时, 无论绝缘体、半导体或导体都无电流；
（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。 由此可得出一个区别导体和绝缘体的原则，即固体中虽然有很多 电子，但是如果一个固体中的电子恰好充填某一能带及其下面的 一系列能带，并且在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空 的，那么它就是绝缘体，相反，如果电子未能填满最高的能带， 或者能带之间有重叠，结果就会形成导体。
4-3-4 材料的超导电性(superconductivity) 1、 超导电性——在一定低温下材料突然失去电阻的现象
（小于目前所能检测的最小电阻率10-25Ω·cm）
超导现象发现 诺贝尔物理奖获得者 1913年
Heike Kamerlingh Onnes the Netherlands Leiden University Leiden, the Netherlands b. 1853 d. 1926
表面电阻：Ｒs＝ ＳＬ／b Ｌ：电极间的距离 b：电极的长度 表面电阻率 S , 单位为Ω S不反映材料的性质，它决定于样品表面状态
根据电流 I = IV + IS (其中，IV为体积电流；IS为表面电流)得出
总电阻与体积电阻和表面电阻之间的关系：
１／Ｒ＝１／ＲＶ＋１／ＲＳ
2、 电导率(electrical conductivity)
每个原子的３s能带是满的，但它不是绝缘体而是导体，因为它们的３s 能带与较高的能带3P有交叠的现象，故能导电。但是重叠程度有差异， 例如钙的上、下两个能带重叠的部分很小，因而是不良导体。
贵金属 铜、银、金 铜（1S22S22P63S23P63d104S1）：
新版材料物理性能课后习题答案_北航出版社_田莳主编-新版.pdf
=5.21 10 19 J 3.25eV
2
6.02 1023 / 8 ) 3
由E0
3 5
E
0 F
1.08eV
6. 若自由电子矢量 K 满足以为晶格周期性边界条件 试证明下式成立： eiKL =1
( x)= ( x L ) 和定态薛定谔方程 。
解：由于满足薛定谔定态方程
(x ) AeiKx
又 满足周期性边界条件
A1e( W /kT ) B 3000
13.
6
本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴共同电导，
激发的电子数 n可以近似表示为：
n N exp( E g / 2kT )
式中： N 为状态密度， k为波尔兹曼常数， T为热力学温度（ K ），试回答 （ 1）设 N =1023cm-3， k=8.6 10-5 eV k 1时， Si（ Eg 1.1eV） ,
=1.09 10 18 J 6.83eV
2
6.02 1023 / 8 ) 3
5. 计算 Na 在 0K 时自由电子的平均动能。 （Na 的摩尔质量 M=22.99 ， =1.013 103kg/m3 ）
（ P16）
2
解：由
E
0 F
h2 (3n / 8
2
)3
2m
(6.63 10 34 )2 1.013 106 = 2 9 10 31 (3 22.99
12.
实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据， 经数学回归分析得出关系为 lg A B 1
T (1)试求在测量温度范围内的电导激活能表达式； (2) 若给出 T1=500K 时， 1=10-（9 m）-1，
T2 1000K时， 2=10-（6 m）-1 计算电导激活能的值。
材料物理材料介电性能
材料物理材料介电性能材料物理是研究物质的结构、性质和行为的学科领域。
材料的介电性能是指材料对电场的响应能力，包括介电常数、介电损耗、电容率等电学参数。
这些参数直接影响着材料在电子器件、能源存储和传输等领域的应用。
首先，介电常数是介电性能的重要参数之一、它描述了材料在电场作用下的极化能力。
介电常数大的材料意味着材料在电场作用下更容易极化，从而使得材料可以存储更多的电荷。
一些常见的高介电常数材料包括铁电体和铁电薄膜。
这些材料在电子器件中被广泛应用，例如电容器和存储器件。
其次，介电损耗是材料介电性能的另一个关键参数。
它描述了材料在电场作用下吸收能量的能力。
也就是说，当电场作用下，部分电能会被转化为热能而损耗掉。
介电损耗大的材料会导致电能的浪费，从而降低电子器件的效率。
因此，在设计和选择材料时，介电损耗的降低是一个重要的考虑因素。
最后，电容率是衡量材料存储能量的指标。
它与介电常数和材料的体积有关。
当介电常数和电容率高时，材料可以存储更多的电荷，从而提高电容器的性能。
这对于能源存储和传输领域尤为重要，例如电动车的电池和太阳能电池的电容器。
除了介电常数、介电损耗和电容率之外，还有其他一些介电性能的重要参数。
例如，介电强度是指材料可以承受的最大电场强度。
当电场强度超过介电强度时，材料会发生击穿现象。
因此，了解材料的介电强度可以帮助我们设计更可靠和安全的电子器件。
总之，材料的介电性能对于电子器件、能源存储和传输等领域的应用至关重要。
通过研究和了解材料的介电常数、介电损耗、电容率和介电强度等参数，我们可以优化材料的性能，提高电子器件的效率和可靠性。
对于未来的材料科学和工程领域的发展，介电性能的研究和探索仍然是一个重要的方向。
第4章材料的导电性能解读.
材料电学性能的一般简介
材料电学性能：指材料在外电场作用下表现出来的行为。
导电性能 介电性能
以带电粒子(载流子)长程迁移，即 传导的方式对外电场作出的响应。
电学性能
以感应方式对外电场（包括频率、 温度）等物理作用作出的响应， 即产生电偶极矩或电偶极矩的改 变。如：铁电性、压电性等。
4.1 电阻和导电的基本概念
=∑niqimi
4.2 材料的导电机理
4.2.1 金属及半导体的导电机理
经典自由电子导电理论 三个重要阶段 量子自由电子理论 能带理论
一、经典自由电子理论
假设： 1）正离子构成的完整晶体点阵；
（电场均匀）
2）价电子完全自由化、公有化，弥散分布整个点阵；
（价电子为自由电子）
经典自由电子理论学说成功地解释了导电性和导热
一 电阻与导电的基本概念
1 导电 当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过 V R 欧姆定律 I 2 电阻 与材料的性质有关 还与材料的长度及截面积有关 3 电阻率 只与材料本性有关 而与导体的几何尺寸无关 评定导电性的基本参数
Байду номын сангаас
4 电导率 愈大，材料导电性能就越好 5 材料分类 超导体、导体、绝缘体和半导体
在碱金属离子总浓度相同情况 下，含两种碱比含一种碱的电 导率要小，比例恰当时，可降 到最低(降低4～5个数量级)。
(3)压碱效应 • 含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤 其是重金属氧化物，可使玻璃电导率 降低，这是因为二价离子与玻璃体中 氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网 络结构，以致堵住了离子的迁移通道， 使碱金属离子移动困难， 从而减小了 玻璃的电导率。也可这样理解，二价
＜ 10-27Ωm
4章电介质的电气性能
5. 固体电介质的电导 吸收特性：固体介质中电流的吸收现象比较明显 电导构成：离子电导（电导的机理,规律和液体类似）， 无电泳电导 电阻率
离子性电介质,电导大小与离子本身的性质有关：
结构紧密，洁净的电介质，电阻率为1017 •cm～1019 •cm 结构不紧密且含单价小离子的电介质的电阻率仅达1013 •cm～ 1014 •cm
纯净的非极性液体电介质:1018 •cm 弱极性1015 •cm 偶极性,极性越大分子的解离度越大,1010 •cm～ 1012 •cm，在高频下由于损耗太大，实 际上不使用。 强极性如水、乙醇等实际上已是离子性导电液， 不能 用作绝缘材料
4. 液体电介质的电导 温度特性：离子性电导随温度的升高而增 加. 因为温度升高,使分子的解离度加大,而 且离子较易克服周围位垒而成为自由离子, 从而造成液体电导率迅速增加. 杂质和水分对液体电介质的绝缘有很大危 害,电气设备在运行中一定要注意防潮,可以 采用过滤,吸附,干燥等方法除去液体电介质 中的水分和杂质.
电介质电气性能的划分（四类表征参数） 介电特性：指介电常数、介损等 电气传导特性：如载流子移动、高场强下 的电气传导机理等 电气击穿特性 ：包括击穿机理、劣化、电 压-时间特性曲线（V-t）等 二次效应：如空间电荷效应、陷阱、局域 态中心、界面现象、化学结构、形态、杂 质等效应
电负性的概念: 1932年L.鲍林最先提出:电负性是元素的原子 在分子中吸引电子的能力。 可见电负性不是一个孤立原子的性质而是在 周围原子影响下的分子中原子的性质即电负性决 定于原子在分子中的价态和环境 .非金属吸引电子 能力较大,电负性数值大.而金属吸引电子能力较弱, 电负性较小. 电负性不仅可以用来判断元素的金属性和非 金属性,还可以合理地说明键长、键能、键偶极矩、 键型过渡及其他一系列结构与性能规律,是化学上 应用最广的基本概念之一。
电工材料 第4章—绝缘材料
本章内容
4.1 绝缘材料的基础知识 4.2 气体绝缘材料 4.3 液体绝缘材料 4.4 浸渍绝缘材料 4.5 绝缘纤维制品 4.6 浸渍纤维制品 4.7 电工层压制品 4.8 电工用橡胶、塑料、绝缘薄膜及其制品 4.9 电工用玻璃、陶瓷、云母、石棉及其制品
4.1 绝缘材料的基础知识
一、绝缘材料的概念及分类
4.1 绝缘材料的基础知识
四、绝缘材料的基本性能
1、电气性能
4）电介质的击穿和击穿强度
➢ 当外加电压超过某一临界值时，通过电介质的电流会剧增，并完 全失去绝缘能力，这种现象称为电介质的击穿。
➢ 使电介质发生击穿时的最低电压称为击穿电压，此时的电场强度 为电介质的击穿强度，也称为绝缘强度。 Eb Ub / h (kV/cm或kV/mm)
➢ 电介质的老化主要有环境老化、热老化和电老化三种类型。 ➢ 环境老化又称大气老化，是由紫外线、臭氧、盐雾、酸碱等因素
引起的污染性化学老化。其中，紫外线是主要影响因素。 ➢ 热老化多见于低压电器，电老化多见于高压电器。
4.1 绝缘材料的基础知识
四、绝缘材料的基本性能
2、理化性能 1）物理性能——黏度
➢ 但电介质并不是绝对不导电的，它们在外加电压的作用下均有微小的 电流通过，这一物理现象称为电导，这一微小电流称为泄漏电流，又 称漏导电流。电介质的电导主要是由自身或外来杂质的少量带电离子 移动形成的，电阻大，导电能力很弱。
4.1 绝缘材料的基础知识
一、绝缘材料的概念及分类
2、绝缘材料的分类 ➢ 绝缘材料种类繁多，涉及面广，为了更好地掌握和使用绝
冷却散热和保护等作用。
4.2 气体绝缘材料
一、气体绝缘材料的作用及其性能要求
2、气体绝缘材料的性能要求 ➢ 在电气工程中，特别是工作于高压状态下的气体绝缘材料
锆酸钡介电常数-概述说明以及解释
锆酸钡介电常数-概述说明以及解释1.引言引言部分是文章的开篇，用于引入主题和给读者一个整体的概述。
在概述部分，可以简要介绍锆酸钡的基本情况，并说明本文的研究目的和结构安排。
以下是参考的编写示例：1.1 概述锆酸钡是一种具有重要应用价值的陶瓷材料，具有优异的介电性质。
它是由钡离子（Ba2+）和锆酸根离子（ZrO3²⁻）组成的化合物。
锆酸钡的特殊结构赋予其优异的介电性能，使其在电子器件、储能器件以及催化剂等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在全面探讨锆酸钡的介电常数，从其基本性质、测量方法以及影响因素等方面进行分析和研究。
通过深入了解锆酸钡的介电常数特性，我们可以更好地应用于相关领域，并为材料的设计和优化提供参考依据。
本文结构安排如下：首先，在第2章中，我们将介绍锆酸钡的介电性质，包括其晶体结构、晶格参数等基本特性，为后续介电常数的研究奠定基础。
接着，第3章将介绍锆酸钡介电常数的测量方法，包括传统电容法、短路导纳法以及复合法等常用的实验手段。
在第4章中，我们将详细探讨影响锆酸钡介电常数的因素，如温度、频率以及材料纯度等因素对介电常数的影响程度。
最后，在第5章中，我们会总结锆酸钡介电常数的特性，并展望其在电子器件、能源存储等领域的应用前景。
通过本文的阐述，我们希望能够加深对锆酸钡介电常数的理解，并为材料的研究和应用提供一定的参考价值。
同时，也欢迎读者对文中的内容提出宝贵的意见和建议。
1.2 文章结构文章结构：本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言中，首先对锆酸钡的介电常数进行了概述，介绍了文章的结构和目的。
接下来的正文部分分为三个小节，分别是锆酸钡的介电性质、锆酸钡的介电常数的测量方法以及锆酸钡介电常数的影响因素。
在结论部分，对锆酸钡介电常数的特性进行了总结，展望了锆酸钡介电常数研究的意义和应用前景，并进行了结束语。
通过以上结构，全面介绍了锆酸钡介电常数的相关内容。
1.3 目的本文的目的是通过深入研究锆酸钡的介电常数，探究其在材料科学和电子工程领域的重要性和应用前景。
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2. 当 1时， 和变化迅速，出现极大值， 这个区域成为“介质 弥散区”，介质弥散区总是伴随着能量的吸收，而形成介质的损耗；
3. 当 1时， 损耗达到最大值， tg则在 而
s 时达到最大。
（4）ωτ=(0, 0.5) ，偶极子取向极化 ε r～常数，第一台阶
V
V V1 V2 V Ed I1 I 2 J E
E1 c 2 E
E2 c 1 E
c 常数
－－电导率小的介质，承受的场强高，优先击穿；
－－如果二介质的电导率差别大，则总有一个 E1 或 E2>E
2）气孔 气孔电阻率比电介质小，故承担的电场强度高，介电常
数小，故极化、储存电荷能力低，二者均使其容易击穿。
ωτ>3 后， 高频极化 ε r～常数，第二台阶 （5） ωτ>1， ω 很小、τ很大，空间电荷极化，极低频
此时，tanδ ∝ 1/ ωτ，故线性下降。
陶瓷材料的损耗： （1）电导损耗 漏电流电阻发热； （2）取向极化、松弛极化损耗 极化时，带电质点与外电场不同步，通过分子振动、摩 擦、碰撞，把电场能量传递给周围介质，发热； （3）电介质结构损耗 陶瓷中往往含有玻璃相，玻璃相是无定形的亚稳态，含 有较多缺陷，容易造成电子、离子松弛损耗。
当 2 2 , ( ) 当 1, ( )
s
（s+ ）/2
1/
s
2
2. （）~
( ) ( s ) 1 2 2 当 0, ( ) 0; , ( ) ( when )
在离子多晶体、复合材料中，由于晶界、相界存在断键 、悬键或不饱和键，引入了空间电荷，这些电荷因缺陷而杂
乱分布。在外加电场下，正、负电荷分别向外电场负、正极
方向移动，从而表现为极化。 宏观不均匀性，例如夹层、气泡等也可形成空间电荷极 化，这种极化称为界面极化。 空间极化需要较长时间，从数秒到数小时不等，故只对
e / E 4 0 R 3 / 3
2、离子极化
离子晶体在电场作用下，离子键被拉长，产生一个附 加极化（电偶极距）：
a 4 n 1
a
3
0
E
比电子极化大1个数量级，但由于离子质量大，极化建 立时间稍慢，约为10-12~10-13s。
3、松弛极化
异性电荷在电场中发生了不可逆的短程迁移，包括一些 与主晶格弱联系的电子、离子和偶极子。加电场前，由于热
,
s
tg 的最大值点在 m s /
s 2 s 2
s 2 s
tg
1
s
s 2 s
1
讨论：
1. 当 1， s， 0， 0， tg 这时电介质没有损耗； 当 1， ， 0， 0， tg 松弛极化无法建立，相当于松弛 极化不存在，故没有损耗；
运动无序混乱分布，加电场后，这些电荷在电场方向迁移，
建立极化。多发生在聚合物、晶体缺陷区或玻璃体内。
特征：建立极化的时间是 10－2～10－3s, 过程要克服局域
势垒，消耗能量，故不可逆。 * 电子驰豫极化 T ：极化时间 10－2～10－9s，多出现在
e
Nb、Bi、Ti氧化物基陶瓷。 * 离子驰豫极化 T ：极化时间 10－2～10－5s，离子晶体。
C
U I GU R
R
G－电导
I I I
t C
R
(iC G )U
A (i ) U d
0 r
C r 0 A / d
(1)
J E
*
i i
* 0 r
意义？
类似地，对ε 也可定义复介电常数 或 相对介电常数
i 0 r
12 22 32
13 23 33
i 1,2,3或x, y, z j 1,2,3 或x, y, z
法向应力导致材料的伸长或缩短，而切向应力引 根据剪切应力互等的原理可知： ij
起材料的切向畸变。
ji 故微元的
应力状态由6个应力分量来决定。
1 1 N 2 3
r i 1 2 d s r 0
e 1 e T
2 a
a T
4.2 交变电场下的电介质
4.2.1 复介电常数和介电损耗 ＝ 动态介电性能
U U e
0
t C
it
I I I
总电流：
R
dQ d (U ) I C iCU dt dt
• 宏观极化，极化强度：
P / V 1E
0 r
ql
单位体积内电偶极矩的向量和
4.1.2 电介质的极化机制 在不同尺度，不同粒子、结构参与了极化，故有不同的 极化机制。
1、电子极化
R
E
电子质量很轻，对电场变化反应极快，可以在光频响应
，故建立极化时间10-15s级。其平均极化率为：
常用陶瓷的介电属性，参见表3.3-3.5。
4.3 电介质在电场中的破坏
4.3.1 介电强度（介电击穿强度）
在某临界电压梯度（电场）下，电介质发生断路 （绝缘导体），称为介电击穿。 该临界电场称为材料的介电强度，Eb＝ Ub /d。 多数绝缘材料的Eb在106 V/cm数量级，例表3.6，对 于绝缘材料，需要的击穿电压Ub很高。
＋＋＋＋
＋＋＋＋
极化
Q C U
d
－－－－ －－－－
Q EA A C U U d
0 0 0 0
C C A/ d
r 0 r 0
相对介电常数 εr>1，C>C0，意义？
极化：在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出 偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。具有电 偶极矩的分子称为极性分子，反之为非极性分子。两个异性
当 , ( ) 0 故 ( ) 有极大值 ( ) 由 0
s
2
1/
m 1
( s ) 3. tg s 2 2
0, tg 0; , tg 0
+ +
-
-
-
E1
+ + - - -
-
2、克－莫方程
微观极化
P N i i N i i Eeff
宏观极化： P 0 ( r 1) E0
P 0 ( r 1) E0 N i i ( r 2) E0 / 3
r 1 3 N i i 3 0 2 3 0 1 2 r r
击穿机制：本征击穿，热击穿，雪崩式击穿
本征击穿：高压下，电子加速与电子及晶格的碰撞， 电离，扩散。
4.3.2 影响击穿强度的各种因素 1）电介质的非均匀性 非均匀：晶相、玻璃相、气孔，本征介电性不同 双层介 质模型
d1 , 1 , I1 ,U1 , E1
d 2 , 2 , I 2 ,U 2 , E2
r r i r
r r
C C
* r
0
Q CU C U
* r 0
dQ I i C U ( i )iC U dt
* ' '' r 0 r r 0
C Ui C U
' '' r 0 r 0
(2)
定义损耗正切（因子）
电荷束缚在一起称为电偶极子，一个极性分子可视为一个电
偶极子。两种极化：固有极化、感应极化。 固有极化：分子固有极化（极性分子），晶体固有极化 （电畴）≈自发极化。后者是铁电材料的一种内禀现象，大 量正负电荷不重合、并且一致取向的晶体形成的电畴。 感应极化：在外电场作用下，非极性分子正、负电荷重 心分离。 • 微观极化，电偶极距：
＋＋＋
压电现象：某种晶体能把 压力 电荷/电能的现象。 1880年，居里兄弟在α－石英单晶体中首次发现。
－－－
4.4.2 预备知识 固体力学常识 z
ij
Hale Waihona Puke zzF3 xzF1
zx
xy
zy yz yx
i –应力作用面的法向 j -应力作用方向 单位: N/m2
F2
yy
• 电磁屏蔽
• 微波加热 • 铁电 • 压电 • 磁电
4.3.2 影响介电强度的因素
4.1 电介质及其极化
4.1.1 电介质与极化 电介质是能够在电场中建立极化、储存电荷的物质；电 介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能；电介
质又可称为绝缘材料（insulating material）或绝缘体。
3）材料表面状态和边缘电场 －－表面击穿 陶瓷表面吸湿，引起空间电位极化、漏电，降低击穿电 压；表面与电极接触不良，导致电场畸变。
－－尖端放电
在尖锐的电极附近，电场严重畸变（电力线严重弯曲， 等电势线u(r) 极密集，电场 E=du(r)/dr很大），容易获得局 部强电场>Eb。
4.4 压电性
一般电介质材料：介电－电，电容、绝缘材料、电子封装 特殊电介质材料：介电－力/声/光，传感器、探测器 4.4.1 压电现象 打火器/点火器： 1) 磨沙轮型打火; 2) 压电打火 压力 电荷 高压电流尖端电极放电点火
1 1
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